Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02274736 1999-06-14
INSTALLATION D'ANALYSE D'ATMOSPHERE
1
La présente invention concerne le domaine des équipements
d'analyse d'atmosphère et s'intéresse tout particulièrement au cas où il est
nécessaire d'analyser un ou plusieurs éléments d'une atmosphère en
plusieurs points d'une enceinte mettant en ceuvre cette atmosphère, ou d'un
s réseau de distribution de gaz, cela en mode multiplexage (mode discontinu
analyse tour à tour des points selon un ordre qui peut ëtre variable et selon
une durée de consultation de chaque point de mesure qui peut être
également variable).
Ces applications d'analyse s'inscrivent dans un contexte où les
lo utilisateurs de gaz industriels (traitement thermique, électronique,
alimentaire
etc..) ont de plus en plus couramment besoin d'analyser un ou plusieurs
composants de l'atmosphère qu'ils mettent en oeuvre au niveau d'un poste
utilisateur donné, ou encore une ou plusieurs impuretés (telles que oxygène
ou encore vapeur d'eau) d'un gaz distribué avant son injection dans leur
15 procédé, ceci afin d'être en mesure d'effectuer un contrôle qualité complet
des pièces traitées, contrôle qualité complet supposant de pouvoir connaïtre
dans quelles condition d'atmosphère chaque pièce a été traitée.
Les clients utilisateurs de gaz veulent donc couramment pouvoir
connaitre ces conditions d'atmosphère, voire les visualiser, les archiver,
avoir
2 o une traçabilité, voire mëme traiter ces valeurs ainsi archivées.
On conçoit alors qu'il faut pouvoir ëtre en mesure de proposer à
ces clients, utilisateurs de gaz industriels, des méthodes et équipements
d'analyse permettant de prélever des échantillons de gaz aux différents
points d'analyse suivis (qu'il s'agisse de différents points d'une enceinte
2s mettant en oeuvre l'atmosphère pour un traitement donné, ou de différents
points d'analyse sur un réseau de distribution de gaz), permettant
- de minimiser le temps de réponse du ou des analyseurs
concernés ;
- d'assurer au niveau de la baie d'analyse l'approvisionnement en
3 o échantillons de gaz à analyser qui soient représentatifs de l'atmosphère
de
l'enceinte ou du gaz circulant dans le réseau de distribution à analyser, en
particulier, on le conçoit, dans le cas où la baie d'analyse est éloignée des
points de prélèvements ; ; '
- d'effectuer les prélèvements et les analyses quel que soit l'ordre
3 5 de chaque point de mesure ;
CA 02274736 1999-06-14
2
- d'effectuer les prélèvements et les analyses quelle que soit la
durée de consultation d'un point de mesure donné, selon l'espèce analysée
et le type d'analyseur mis en oeuvre.
On a proposé pour de telles applications de multiplexage
l'utilisation de vannes rotatives basées sur l'avancement pas à pas de la
vanne qui vient se placer tour à tour devant chaque canal à analyser.
L'utilisation de telles vannes rotatives n'est cependant pas sans
inconvénients, notamment liés à un matériel complexe, dont la robustesse à
l'utilisation reste à démontrer, mais surtout dont un ordre d'avancement en
1o rotation très précis doit être respecté.
La présente invention vise notamment à apporter des solutions aux
problèmes techniques ci-dessus mentionnés.
L'installation d'analyse de la teneur en au moins un élément, d'au
moins deux sources de gaz initiales, selon un mode d'échantillonnage, à
i5 l'aide d'au moins un analyseur apte à analyser ledit élément, selon
l'invention, comporte alors
- au moins deux sources de gaz initiales à analyser ;
- au moins deux lignes de prélèvement, chaque ligne étant reliée
en sa partie amont à une desdites sources de gaz initiales, et en sa partie
2 o aval, à un organe respectif directeur de flux ;
- au moins deux lignes d'évacuation, chaque ligne d'évacuation
étant reliée en sa partie amont à un desdits organes directeurs et en sa
partie
aval à une évacuation ou un point de stockage ;
- au moins deux lignes secondaires, chaque ligne secondaire étant
25 reliée en sa partie amont à un desdits organes directeurs et, en sa partie
aval, à un point de rassemblement, chaque organe directeur étant apte à
diriger un échantillon de la source de gaz initiale qui lui est associée vers
sa
ligne d'évacuation respective ou vers le point de rassemblement via sa ligne
secondaire respective ;
3 0 - une ligne tertiaire, reliée en sa partie amont au point de
rassemblement et en sa partie aval à une évacuation ou un point de
stockage ;
- au moins une ligne d'analyse, reliée en sa partie amont à la ligne
tertiaire et en sa partie aval à au moins un desdits au moins un analyseur.
35 L'installation d'analyse selon l'invention pourra par ailleurs
comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes
CA 02274736 1999-06-14
3
- un organe de pompage, situé entre le point de rassemblement et
le point de connexion entre ligne d'analyse et ligne tertiaire ;
- la ligne tertiaire comporte, en aval du point de connexion de la
ligne d'analyse sur la ligne tertiaire, un clapet anti-retour ;
- la ligne tertiaire comporte, en aval du point de connexion de la
ligne d'analyse sur la ligne tertiaire, un déverseur, et la ou au moins une
des
lignes d'analyse est munie d'un organe de création d'une perte de charge ;
- la ou au moins une des lignes d'évacuation est munie d'un
organe de pompage ;
io - la ou chaque ligne d'analyse est munie d'un organe directeur,
permettant selon les cas, de diriger vers l'analyseur du gaz à analyser, un
gaz de calibration, ou encore un gaz de purge ;
- le ou lesdits organes directeurs de l'installation sont constitués
par une électrovanne trois voies ;
- le ou lesdits organes directeurs des lignes de prélèvement sont
constitués par l'ensemble formé par le point de connexion des lignes de
prélèvement, d'évacuation, et secondaire associées, chaque ligne
secondaire et d'évacuation étant munie, en aval de ce point, d'un organe apte
à permettre ou interrompre le passage de gaz par la ligne considérée ;
2 0 - les sources initiales à analyser sont à une pression supérieure à
la pression atmosphérique ;
- les sources initiales à analyser sont à une pression sensiblement
égale à la pression atmosphérique ou inférieure à la pression
atmosphérique ;
- les sources initiales sont constituées par des échantillons de gaz
pris sur un réseau de distribution ;
- les sources initiales sont constituées par des échantillons de gaz
pris en différents points d'une enceinte mettant en oeuvre une atmosphère
gazeuse ;
3 0 - l'installation comporte plusieurs analyseurs, les lignes d'analyse
étant connectées sur la ligne tertiaire au niveau d'une nourrice ;
- l'installation comporte une seule ligne d'analyse connectant la
ligne tertiaire et les analyseurs disposés en série ; -,
- l'installation comporte une ligne d'analyse par analyseur.
3 5 D'autres caractéristiques .et avantages de la présente invention
ressortiront de la description suivante de modes de réalisation donnée à titre
CA 02274736 1999-06-14
4
illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins
annexés,
sur lesquels
- la figure 1 est une représentation schématique d'une installation
conforme à l'invention, mettant en oeuvre une seule ligne d'analyse et un seul
analyseur ;
- la figure 2 est une représentation schématique d'une installation
conforme à l'invention, comportant trois analyseurs et trois lignes d'analyse,
connectées sur la ligne tertiaire au niveau d'une nourrice ;
- la figure 3 illustre un mode de réalisation d'un organe directeur
lo selon l'invention, tel que constitué par l'ensemble formé par le point ,de
connexion des lignes de prélèvement, d'évacuation, et secondaire
associées, chaque ligne secondaire et d'évacuation étant munie d'une vanne
deux voies ;
- les figures 4 et 5 illustrent deux variantes de mise en oeuvre de
l'invention avec piquage de la ligne d'analyse sur la ligne tertiaire qui
conduit
à un évent ;
- la figure 6 est une représentation partielle d'une installation
conforme à l'invention, la ligne tertiaire comprenant, en aval du point de
connexion de la ligne d'analyse, un déverseur, la ligne d'analyse étant elle
2 o même pourvue d'un organe de création d'une perte de charge.
La figure 1 est une représentation schématique d'une installation
conforme à l'invention, comportant six lignes de prélèvement Lp;, chacune en
provenance d'une source de gaz initiale S;, chaque ligne de prélèvement se
connectant sur un organe directeur de flux V;, ici dans chaque cas, une
2s électrovanne trois voies, en passant par un filtre F; .
Les sources initiales peuvent ëtre par exemple constituées par
des échantillons de gaz pris sur un réseau de distribution (application
typique
du contrôle d'impuretés avant autorisation d'introduction dans un procédé),
ou encore par exemple être constituées par des échantillons de gaz pris en
3 o différents points d'une enceinte mettant en oeuvre une atmosphère gazeuse
(four, tunnel, boite de stockage...).
Les sources initiales à analyser sont alors selon les cas à une
pression supérieure à la pression atmosphérique (c'est le cas des réseaux de
_,
distribution où elle peut atteindre plusieurs bars, voire dizaines de bars),
ou
3 5 bien à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique ou
inférieure à la pression atmosphérique. On sait par exemple que dans
CA 02274736 1999-06-14
beaucoup d'enceintes mettant en oeuvre des gaz industriels comme des
fours de traitement thermique ou des tunnels de traitement de produits
alimentaires, la pression à l'intérieur de telles enceintes « oûvertes » est
égale à la pression atmosphérique à quelques millibars près (P = PA + (1 à
5 50 mbars)).
Conformément à l'invention, sont connectées à chaque
électrovanne trois voies V;, une ligne secondaire Ls; (qui rejoint un point de
rassemblement R), et une ligne d'évacuation LE;, qui rejoint pour le mode de
réalisation représenté un évent E;, au travers d'un organe de pompage P;.
lo Comme on l'aura noté, pour le mode de réalisation représenté, on
a regroupé deux lignes d'évacuation sur un même évent, par exemple les
lignes d'évacuation 1 et 2 au niveau du même évent E,, l'installation à six
lignes représentées ne comportant alors que trois évents d'évacuation E,, EZ
et E3.
i5 En poursuivant la description de l'installation de la figure 1 vers
l'aval des lignes, on constate qu'une ligne tertiaire LT, en provenance du
point
de rassemblement R, est apte à évacuer du gaz vers un évent E, en passant
par un organe de pompage P et un clapet anti-retour C.
' Sur cette ligne tertiaire, se pique une ligne d'analyse LA, apte à
2 o amener du gaz à analyser vers un analyseur A, en passant par une
électrovanne trois voies VA.
L'analyseur A est également muni d'une sortie de gaz apte à
évacuer le gaz reçu vers un évent EA.
On notera par ailleurs que l'installation se complète par une
2 s électrovanne trois voies VP, la combinaison des électrovannes VA et VP
permettant selon les cas de diriger vers l'analyseur A du gaz à analyser (le
long de la ligne LA), du gaz de calibration (en provenance de la ligne L~), ou
encore un gaz de purge (en provenance de la ligne LPR).
On a numéroté par les chiffres 1, 2 et 3 les trois voies de
3 0 l'électrovanne V6, afin d'en décrire plus confortablement le
fonctionnement, et
de façon générale le fonctionnement de l'installation de la figure 1.
Lorsque la bobine de l'électrovanne V6 est excitée, le passage 1-2
est mis en oéuvre, c'est-à-dire que le gaz en provenance de la source Ss est _
,
envoyé vers le point de rassemblement R. En revanche, quand la bobine de
35 l'électrovanne V6 n'est pas excitée, le passage 1-3 est alors mis en
oeuvre,
CA 02274736 1999-06-14
6
pour envoyer le gaz en provenance de la source S6 vers l'évacuation E3 le
long de la ligne d'évacuation LES.
On conçoit alors que l'installation d'analyse en mu¿tiplexage de la
figure 1 permet le prélèvement d'échantillons gazeux en six points différents
et leur distribution vers l'analyseur, la conception.de l'installation
permettant,
à l'aide d'un système de contrôle/commande non représenté sur la figure (tel
un automate), un prélèvement continu des différents points analysés, en
dirigeant vers l'analyseur A, au travers du point de rassemblement R, une
source de gaz donnée, alors que tous les autres échantillons de gaz en
lo provenance des sources S; sont dirigés vers les évacuations E;, puis ainsi
de
suite, la précédente source qui a fait l'objet d'une analyse est alors dirigée
vers son évacuation alors que l'électrovanne d'une autre source est
maintenant activée pour procéder à son analyse, laissant les autres intactes,
c'est-à-dire dirigées vers les évacuations.
Une telle installation permet alors un prélèvement en continu au
niveau des six sources de gaz initiales, minimisant le temps de réponse de
l'analyseur, et assurant au niveau de cet analyseur des échantillons de gaz
représentatifs de l'atmosphère au niveau des sources S;, en particulier dans
le cas où l'analyseur est pour une raison ou pour une autre très éloigné des
2 o points de prélèvement.
On constate également qu'une telle installation permet de passer
d'une source de gaz initiale à une autre, dans n'importe quel ordre, et la
durée de consultation de chaque point de mesure est parfaitement
configurable, à l'aide d'un système de commande déjà évoqué plus haut,
2s permettant par exemple de suivre plus précisément certains points de
mesure, lorsqu'ils sont par exemple plus sensibles.
De mëme, afin de répondre aux attentes de certains utilisateur
souhaitant visualiser, voire archiver certaines données (par exemple .
l'évolution dans le temps de la teneur en un élément donné de l'atmosphère
3 o de leur enceinte de traitement), il est aisé d'utiliser l'installation
selon
l'invention en récupérant à des fins d'affichage ou de stockage des signaux
provenant du ou des analyseurs de l'installation. Ces signaux sont également
exploitables pour déclencher le cas échéant des alarmes selon un ou ; .
plusieurs niveaux détectés, ou encore pour effectuer sur leur base, à l'aide
de
35 l'automate, une régulation de la teneur d'un ou plusieurs éléments gazeux.
CA 02274736 1999-06-14
7
Considérons ici par exemple le cas où les sources de gaz initiales
S; sont des points de prélèvement sur une ou plusieurs enceintes de mise en
oeuvre de gaz industriels, par exemple des fours de traitement thermique
sous atmosphère contrôlée, les gaz dans ces enceintes étant sensiblement à
la pression atmosphérique.
Considérons alors par ailleurs également l'exemple du cas où
l'analyseur A est muni de son propre organe de pompage, intrinsèque à
l'analyseur.
On voit alors que quelle que soit la source de gaz initiale
Zo considérée (c'est-à-dire le point de prélèvement de gaz dans la ou les
enceintes), le gaz prélevé arrive au point de rassemblement R et ensuite à la
ligne tertiaire LT à une pression sensiblement égale à la pression
atmosphérique, l'analyseur A prélevant via son organe de pompage propre,
uniquement le débit de gaz dont il a besoin pour fonctionner, via le piquage
de la ligne LA sur la ligne tertiaire, le reste du gaz arrivant au point de
prélèvement R et qui n'est pas dirigé vers l'analyseur étant évacué le long de
la ligne tertiaire vers l'évent E.
Les pompes P1, P2, P3 et P sont alors dimensionnées suivant la
distance entre la baie d'analyse et les points de prélèvement, la pompe P
2 o étant notamment dimensionnée afin que le débit parvenant au point de
rassemblement R et donc à la ligne tertiaire LT soit supérieur au débit dont a
besoin (et que va pomper) l'analyseur A pour fonctionner.
On constate aisément à la lecture de cette figure 1 que la
combinaison des électrovannes VA et VP permet, par exemple durant des
2s moments de pause ou encore de nuit lorsque l'installation est en veille, de
diriger vers l'analyseur A un gaz de purge en provenance de la ligne LPR ou
encore un gaz de calibration en provenance de la ligne L~, l'ensemble des
lignes de prélèvement LP; étant alors dans une telle configuration, soit
carrément stoppé, soit balayé mais mis en communication avec ses évents E;
3 o associés.
Si chaque organe directeur de la figure 1, et en particulier les
vannes V; de chaque ligne de prélèvement, est constitué par une
électrovanne trois voies, on peut bien entendu concevoir, sans sortir du cadre
; -,
de la présente invention, d'autres types d'organes directeurs, tels
qu'illustrés
35 par exemple par le mode de réalisation de la figure 3, où ici l'organe
directeur V est constitué par le point de connexion des ligne de prélèvement
CA 02274736 1999-06-14
ô
LP, en provenance de la source S, de la ligne secondaire Ls se dirigeant vers
le point de rassemblement R, et la ligne d'évacuation LE, chacune des lignes
Le ec Ls étant munie en aval du point, d'une vanne deux voies (respectivement
Vs et VE) permettant d'autoriser ou d'interdire le passage du gaz dans chaque
ligne, permettant donc bien de diriger le gaz en provenance de la source de
gaz initiale S tour à tour, selon les besoins, vers le point de rassemblement
R
ou bien vers l'évacuation.
Comme il apparaîtra clairement à l'homme du métier, si
l'installation illustrée figure 1 représente un mode de réalisation où la
ligne
lo d'analyse LA se pique sur la ligne tertiaire LT, d'autres configurations
sont
envisageables, sans sortir du cadre de la présente invention, et doivent être
considérées comme entrant sous la formulation générale utilisée plus haut
dans cette description selon laquelle l'installation comporte "au moins une
ligne d'analyse reliée en sa partie amont à la ligne tertiaire et en sa partie
aval ....". Ainsi la représentation partielle de la figure 4 reprend la
configuration de connexion de la figure 1, alors que la figure 5 illustre une
variante que l'on décrirait plutôt par le fait que la ligne tertiaire se pique
sur la
ligne d'analyse LA, les deux formulations étant interchangeables
- les deux lignes (d'analyse et tertiaire) sont dans tous les cas
"reliées" (piquage) au niveau d'un point, et
- on peut considérer que dans le cas de la figure 5 également, la
ligne tertiaire est « reliée en sa partie amont au point de rassemblement,
même si c'est au travers d'une section de ligne « de connexion » symbolisée
sur la figure par LcN.
2 5 On comprend alors que l'appellation n'a qu'une importance
secondaire et qu'il faille avant toute chose s'attacher à retrouver la
finalité
réelle de chaque ligne.
On notera cependant que la configuration de la figure 1 et de la
figure 4 est avantageuse par le fait que le gaz prélevé par la ligne d'analyse
3 o LA sur la ligne tertiaire LT est plus sûrement à la pression atmosphérique
puisque se dirigeant vers l'évent E.
En revenant maintenant à la description détaillée de la figure 1, si
l'on a envisagé précédemment un exemple d'application où l'analyseur A était ;
-,
muni de son propre organe de pompage, on peut également, bien entendu,
3 5 envisager un analyseur A ne possédant pas son propre organe de pompage,
il est alors avantageux d'adopter selon l'invention la configuration
CA 02274736 1999-06-14
9
schématisée dans le cadre de la figure 6, où la ligne tertiaire LT, en aval du
point de connexion de la ligne d'analyse LA sur la ligne tertiaire, comporte
un
déverseur D, alors que la ligne d'analyse LA est elle mëme munie d'un organe
X de création d'une perte de charge.
, Cet organe de création d'une perte de charge pourra être constitué
de façon très variée d'un organe tel qu'une vanne de laminage, ou encore
une vanne d'arrêt, un limiteur de débit, un orifice calibré, ou encore de
façon
très générale, ce moyen de création d'une perte de charge peut également
être obtenu par la configuration particulière de tuyauterie utilisée à cet
endroit
lo de la ligne.
On conçoit alors que l'ensemble constitué du déverseur dans la
ligne tertiaire (un déverseur étant considéré comme un régulateur de
pression amont) et de l'organe de création d'une perte de charge dans la
ligne d'analyse permettra d'assurer un débit constant dans la ligne d'analyse
et donc parvenant à l'analyseur, ceci quel que soit le point de prélèvement
considéré, et la pression du gaz au niveau de la ligne de prélèvement
considérée, par le fait que la pression dans la ligne tertiaire et dans la
ligne
d'analyse est parfaitement fixée, quelles que soient les variations pouvant
intervenir en amont.
2 o La même remarque effectuée précédemment concernant le fait de
considérer un piquage de la ligne d'analyse sur la ligne tertiaire ou de la
ligne
tertiaire sur la ligne d'analyse pourrait être reprise ici.
Si la figure 1 illustre une installation d'analyse conforme à
l'invention comportant un seul analyseur A, la figure 2 illustre pour sa part
une installation d'analyse conforme à l'invention comportant trois analyseurs
A,, A2 et A3.
L'installation de la figure 2, en amont du point de rassemblement
R, est alors inchangée par rapport à l'installation de la figure 1, on se
contentera alors dans ce qui suit de décrire l'aval du point de rassemblement
3 o R.
L'installation comporte ici une ligne d'analyse par analyseur
(respectivement La,,, L~ et LAS), chaque ligne d'analyse étant connectée sur
la
ligne tertiaire LT au niveau d'une nourrice, représentée sur la ligne
tertiaire _,
par une forme sombre oblongue.
Chaque ligne d'analyse comporte par ailleurs un organe directeur
constitué ici d'une électrovanne trois voies (VA,, V~ et VA3).
CA 02274736 1999-06-14
Comme précédemment, chaque analyseur est ici encore muni
d'une évacuation de gaz permettant l'évacuation du gaz reçu vers un évent,
respectivement EA,, EAZ et EA3.
On notera par ailleurs la présence sur l'installation d'une
5 électrovanne VP, reliée à chaque électrovanne VA;, et apte à diriger sur
chaque électrovanne VA; et donc sur chaque analyseur, un gaz de purge (en
provenance de la ligne LPR) ou un gaz de calibration (en provenance de la
ligne de calibration L~).
On voit donc qu'une telle installation permet l'analyse d'un ou
o plusieurs composants pour chaque point de prélèvement, tout en maintenant
tous les avantages déjà signalés dans le cadre de la figure 1 liés au
prélèvement en continu des différents points analysés en amont du point de
rassemblement R.
Bien entendu les variantes déjà décrites dans le cadre des figures
i5 3 à 6 pourraient également être adoptées dans le cadre de cette
installation
de la figure 2 (organe directeur constitué d'un T et de deux vannes deux
voies, ou encore analyseurs non munis de leur propre organe de pompage
alimentés au travers d'un organe de création d'une perte de charge).
Ici encore on a numéroté 1, 2 et 3, les trois voies de l'électrovanne
2 o VA3 afin d'expliciter plus clairement le fonctionnement de cette
électrovanne et
de façon générale de l'installation.
Quand la bobine de l'électrovanne VA3 est excitée, le passage 1-2
est mis en oeuvre alors que lorsque la bobine de l'électrovanne VA3 n'est pas
excitée, c'est le passage 1-3 qui est mis en oeuvre.
25 Considérons maintenant l'exemple d'un cas où le gaz en
provenance de la source S6 est dirigé vers le point de rassemblement R, tous
les autres prélèvements en provenance des autres sources S, à Ss étant
dirigés vers leur évent respectif E1 à E3.
Si le gai en provenance de Ss doit être analysé par exemple par
3 0 l'analyseur A3, la bobine de l'électrovanne VA3 est alors excitée (par un
système de commande annexe que l'on ne décrira pas ici, systèmes de
commande déjà évoqués dont l'homme du métier de l'analyse et du contrôle
de procédés ést couramment familier), permettant le transit du gaz selon le _,
passage 1-2 alors que les autres électrovannes VA, et Va,2 sont non-excitées,
3 5 permettant le balayage des analyseurs A, et A2 par du gaz de purge en
provenance de l'ensemble VPILPR.
CA 02274736 1999-06-14
11
Bien entendu, si un échantillon de gaz en provenance de la source
S6 devait ensuite également être analysé par un autre des analyseurs A, ou
A2, il serait alors parfaitement possible de ne plus exciter la bobine de
l'électrovanne VA3, pour permettre la purge de l'analyseur A3 par du gaz de
purge, et exciter la bobine par exemple de l'électrovanne V~ pour permettre
le passage de l'échantillon de gaz en provenance de la source Ss vers
l'analyseur Az, l'électrovanne VA, demeurant alors non excitée, et l'analyseur
A, purgé.
